易湘斌 梁澤芬 沈建成 羅文翠 白云貴

(1．甘肅省機(jī)械裝備先進(jìn)制造協(xié)同創(chuàng)新中心；2．甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及其應(yīng)用重點實驗室)

基于紅外熱像顯微觀測技術(shù)的304不銹鋼疲勞性能研究①

易湘斌1,2梁澤芬1,2沈建成1,2羅文翠1,2白云貴1

(1．甘肅省機(jī)械裝備先進(jìn)制造協(xié)同創(chuàng)新中心；2．甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及其應(yīng)用重點實驗室)

借助紅外熱像儀和遠(yuǎn)場視頻顯微鏡研究了304奧氏體不銹鋼應(yīng)力疲勞的溫度響應(yīng)與微觀形貌變化規(guī)律，運用掃描電鏡對試件斷口進(jìn)行微觀分析。研究結(jié)果表明：載荷幅值對試樣表面最大溫升有一定影響，試件表面溫度變化與微觀形貌的演化之間存在相關(guān)性。隨著應(yīng)力水平的增加，試樣斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶變窄，瞬斷區(qū)韌窩增多。

304不銹鋼 低周疲勞 應(yīng)力加載 紅外熱像 斷口分析

隨著高精度紅外熱像儀的普及，人們致力于研究疲勞過程中的熱現(xiàn)象，從能量耗散的角度認(rèn)識疲勞問題。Rosa G L和Risitano A最早提出一種快速測定材料疲勞極限的熱像法[1]，隨后Fargione G等進(jìn)一步發(fā)展,從單純測定材料疲勞極限擴(kuò)展至繪制S-N曲線[2]。姚磊江等系統(tǒng)地研究了循環(huán)過程及循環(huán)內(nèi)疲勞損傷熱能的耗散變化規(guī)律[3]。王凱研究了304不銹鋼高周疲勞過程的溫度場變化，并用Risitano法測得材料的疲勞極限[4]。

由于疲勞過程的生熱是由內(nèi)摩擦和位錯運動引起的原子振蕩產(chǎn)生，應(yīng)力集中處材料的塑性變形使得顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，引起表面微觀形貌的變化，因此熱耗散和顯微結(jié)構(gòu)演化之間存在一定的關(guān)系。Plekhov O A等建立了循環(huán)塑性變形下能量耗散的熱力學(xué)模型，提出了描述儲能和耗散能的本構(gòu)方程[5]。Chrysochoos A和Louche H利用紅外熱像與數(shù)字圖像技術(shù)，通過熱像照片計算材料表面各個點處的應(yīng)變能與熱耗散量進(jìn)而得到儲能，用于材料的疲勞評估[6]。

近年來，隨著實驗器件的進(jìn)步，利用紅外熱像法結(jié)合遠(yuǎn)場顯微觀察，研究能量耗散與表面疲勞損傷及微觀結(jié)構(gòu)演化成為可能，這將有助于進(jìn)一步認(rèn)識疲勞現(xiàn)象和產(chǎn)生機(jī)制，對于設(shè)備服役檢測、壽命估算和安全性評價都具有重要的理論和工程意義。國內(nèi)，李娜率先進(jìn)行關(guān)于表面溫度變化與微觀形貌演化的試驗，通過純銅光滑試件與缺口試件疲勞試驗的研究，發(fā)現(xiàn)二者之間存在著密切的關(guān)聯(lián)[7]。

鑒于對304奧氏體不銹鋼紅外熱像低周疲勞研究的空白，筆者使用高分辨率遠(yuǎn)場視頻顯微鏡和紅外熱像儀，組建顯微疲勞試驗系統(tǒng)，進(jìn)行表面溫度測量，觀察材料表面微觀形貌的變化，利用掃描電鏡對疲勞試樣斷口進(jìn)行分析，研究不銹鋼疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展過程的內(nèi)在機(jī)制。

1 試驗材料及方法

試驗用材料是熱軋304不銹鋼，其屈服強度為206MPa，抗拉強度為569MPa，延伸率71%，化學(xué)成分見表1。

表1 304不銹鋼的化學(xué)成分 wt%

試樣為光滑板試樣，按照GB/T 3075-2008《金屬材料疲勞實驗軸向力控制方法》設(shè)計成中間帶圓弧的形式，試樣厚3mm，如圖1所示，采用線切割進(jìn)行加工，實驗前用不同目數(shù)的金相砂紙打磨拋光。為增大金屬表面比輻射率，在試樣表面涂上一層發(fā)射率大于0.95的黑色啞光漆。試驗用設(shè)備為長春試驗機(jī)廠生產(chǎn)的SDS100電液伺服動靜試驗機(jī)。

圖1 試驗用板狀疲勞試件結(jié)構(gòu)示意圖

試驗采用應(yīng)力控制方式，三角波，應(yīng)力比R=0.1，頻率20Hz，初始環(huán)境溫度24℃。分兩組在250、290、300、310、320MPa應(yīng)力水平下進(jìn)行應(yīng)力控制的軸向拉-拉疲勞試驗。第1組采用FLIR紅外熱像儀(室溫精度0.1℃)記錄，獲得試樣表面熱像圖、標(biāo)距段溫度和熱像圖。第2組在同樣條件下進(jìn)行試驗，循環(huán)加載過程中，插入加載頻率為0.1Hz的時間段，期間采用Quesart長焦顯微鏡進(jìn)行在位連續(xù)觀測，抓取表面形貌的顯微圖像，觀察材料晶粒的變形、裂紋的萌生和擴(kuò)展現(xiàn)象。

2 試驗結(jié)果

圖2為試件在應(yīng)力循環(huán)加載過程中的表面熱像圖?？梢钥闯?，試樣頸部溫度最高，由中心向兩端逐漸降低，呈梯度分布。為消除環(huán)境溫度的影響，同時采集某時刻試件溫度最高值與環(huán)境溫度，并將二者的差值記錄為表面溫升。

圖2 304不銹鋼試件熱像圖

圖3為304不銹鋼在不同應(yīng)力疲勞加載過程中的表面溫度隨循環(huán)次數(shù)變化情況，可以看出，所有曲線都表現(xiàn)出表面溫度在循環(huán)初期和末期上升明顯，在循環(huán)穩(wěn)定階段緩慢上升的趨勢。隨著加載應(yīng)力的增加，表面溫升也快速增加。加載初期，試件局部的塑性變形釋放熱量，此時由于試件與環(huán)境溫差小，對流損失較小，熱耗散大部分用來提升試件溫度；當(dāng)進(jìn)入循環(huán)穩(wěn)定階段，達(dá)到熱平衡狀態(tài)，溫度變化基本穩(wěn)定；在壽命后期，宏觀裂紋萌生擴(kuò)展，短時間釋放大量熱量，溫度急劇上升[8]。

圖3 不同載荷下試樣表面溫升變化

圖4為290MPa循環(huán)加載下，Quesart長焦顯微鏡拍攝的不同階段試件表面形貌變化情況。試驗過程中，為了拍攝清晰裂紋，停機(jī)時用金相砂紙對試樣表面進(jìn)行打磨?？梢钥闯?，加載前表面比較平整，反射均勻(圖4a)。加載后，表面顏色逐漸暗淡，邊緣出現(xiàn)滑移痕跡，開始有塑性變形現(xiàn)象發(fā)生(圖4b)；隨著循環(huán)周次增加，塑性變形由局部變形發(fā)展為微區(qū)的變形帶(圖4c)；循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加時，塑性變形區(qū)逐漸擴(kuò)大，表面變得粗糙，已經(jīng)形成隆起和凹坑，輕微打磨后凹坑基本消失(圖4d)；隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，塑性不斷耗盡，凹坑數(shù)量逐漸增多、擴(kuò)大(圖4e)；至45 000次，表面形貌出現(xiàn)明顯變化，觀察到孔洞開始相互連接，出現(xiàn)明顯的微裂紋，且呈45°方向生長(圖4f)；隨后，微裂紋快速擴(kuò)展成宏觀裂紋，直至斷裂(圖4g)。

圖4 290MPa循環(huán)應(yīng)力加載下試件在不同階段的表面形貌 ×200

對比循環(huán)加載過程中試件表面溫度與形貌特征，認(rèn)為材料疲勞過程中的熱耗散和顯微結(jié)構(gòu)演化之間有明顯的相關(guān)性。循環(huán)初期，材料內(nèi)部滑移開始產(chǎn)生擠入、擠出現(xiàn)象，表面紋理出現(xiàn)變化，反映在熱像圖上溫度開始上升。隨著試樣應(yīng)力集中處塑性變形逐漸累積，使得表面開始粗糙不平，形成凸起和凹坑，此階段受到循環(huán)硬化和循環(huán)軟化競爭的作用，溫度出現(xiàn)一定的波動。同時還發(fā)現(xiàn)，此階段溫升與表面形貌變化均相對穩(wěn)定，二者有良好的相似性，此階段持續(xù)的時間幾乎占據(jù)疲勞壽命的絕大部分。隨后宏觀裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展并迅速斷裂，在熱像圖上表現(xiàn)為短時間內(nèi)試件溫度快速上升。

3 斷口形貌觀察

圖5a為320MPa加載下試樣的疲勞斷口宏觀形貌，可見明顯的疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。圖5b為疲勞源區(qū)形貌，疲勞源產(chǎn)生于試件邊緣，裂紋前沿呈波紋狀，呈準(zhǔn)解理開裂形態(tài)，由于不斷摩擦擠壓，顯得平整平滑，推測由機(jī)加工刀痕產(chǎn)生。圖5c、d分別為290、320MPa加載條件下試件斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌，河流狀條紋內(nèi)分布著亮白色的梳狀隆脊，是裂紋萌生時局部切應(yīng)力作用形成的細(xì)小滑移帶。可見，疲勞條帶隨著載荷增大而減小，其原因是由于載荷的增大，導(dǎo)致載荷循環(huán)一次的時間減少，條帶變窄。圖5e、f為290、320MPa加載條件下試件斷口瞬斷區(qū)微觀形貌，可以看到大量聚集型斷裂的典型形貌——韌窩?？梢姡g窩大小及數(shù)量與加載的應(yīng)力水平有關(guān), 當(dāng)應(yīng)力水平較高時,位錯發(fā)射增多，位錯運動加快，塑性變形加大，形成的韌窩開始增多，深度變大。

圖5 不同應(yīng)力水平下斷口微觀形貌

4 結(jié)論

4.1紅外熱像法能夠反映疲勞損傷演化過程，但不能清晰描述塑性變形、裂紋萌生和擴(kuò)展等現(xiàn)象，結(jié)合遠(yuǎn)場顯微觀測技術(shù)，一定程度上彌補了紅外熱像法的不足。

4.2表面溫度、微觀形貌間存在關(guān)聯(lián)，均為快速變化、緩慢變化、急劇變化三階段特征。但宏觀溫度與微觀結(jié)構(gòu)間的定量關(guān)系尚需確定，今后可以結(jié)合疲勞裂紋擴(kuò)展速率測定試驗，研究它與溫升變化的相關(guān)性。

4.3應(yīng)力集中產(chǎn)生的塑性變形是導(dǎo)致試件溫升的主要原因。限于試驗條件，本次只測量到試件斷裂前若干周次的實時溫度，只反映出溫度上升的趨勢，存在一定誤差。

[1] Rosa G L, Risitano A. Thermographic Methodology for Rapid Determination of the Fatigue Limit of Material and Mechanical Components[J].International Journal of Fatigue,2000,22(1):65～73.

[2] Fargione G,Geraci A, Rosa G L,et al.Rapid Determination of the Fatigue Curve by the Thermo Graphic Method[J]. International Journal of Fatigue,2002,24(1):11～19.

[3] 姚磊江，李斌，童小燕.疲勞過程熱耗散與表面微觀結(jié)構(gòu)演化相關(guān)性的試驗研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，26(2):225～228.

[4] 王凱.基于紅外熱像法的金屬高周疲勞性能研究[D].太原:太原理工大學(xué)，2013.

[5] Plekhov O A, Saintier N, Palin L T,et al.Theoretical Analysis,Infrared and Structural Investigations of Energy Dissipation in Metals under Cyclic Loading[J]. Materials Science and Engineering A, 2007, 462(1/2): 367～369.

[6] Chrysochoos A, Louche H. An Infrared Image Processing to Analyse the Calorific Effects Accompanying Strain Localization[J]. International Journal of Engineering Science,2000,38(16):1759～1788.

[7] 李娜.基于能量耗散理論的疲勞試驗研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[8] 曾偉，韓旭，丁樺，等. 基于紅外熱象技術(shù)的金屬材料疲勞性能研究方法[J]. 機(jī)械強度，2008，30(4)：658～663.

2017-02-20，

2017-03-23)

(Continued on Page 575)

Studyonthe304StainlessSteelFatiguePerformanceBasedontheInfraredThermalImageMicroscopyObservationTechnology

YI Xiang-bin1,2, LIANG Ze-fen1,2,SHEN Jian-cheng1，2, LUO Wen-cui1,2,BAI Yun-gui1

(1.GansuCollaborativeInnovationCenterforMechanicalEquipmentandAdvancedManufacture; 2.KeyLaboratoryofGreenCuttingTechnologyandApplicationofGansuCollegesandUniversities)

In virtue of the infrared thermal imager and far-field video microscope, both temperature response and surface morphology evolution rules of the 304 austenitic stainless steel stress fatigue were investigated and

甘肅省高等學(xué)校科研項目(2014A-123，2015A-161)；甘肅省科技計劃資助項目(1606RJYA253)；蘭州工業(yè)學(xué)院創(chuàng)新實驗項目(201606)。

易湘斌(1979-)，講師，從事金屬疲勞的教學(xué)研究工作，yibin2003@126.com。

TQ050.4+1

A

0254-6094(2017)05-0519-05